Reactors químics: Funcions, models i elements

REACTORS

reactors: aparells on es porten a terme les reaccions químiques. El seu disseny depèn de les característiques de la reacció. depèn de: condicions en les quals és possible la reacció (p, T, etc.), velocitat de la reacció, quines seran les fases de la reacció.

FUNCIONS D'UN REACTOR QUÍMIC

• Assegurar el tipus de contacte o mode de flux dels reactius en el seu interior, per aconseguir la mescla desitjada de les fases presents.
• Proporcionar el temps de contacte suficient entre les substàncies i amb el catalitzador, si n'hi ha, per aconseguir la conversió desitjada de la reacció.
• Permetre les condicions necessàries de pressió, temperatura i composició de manera que la reacció tingui lloc en el grau i a la velocitat desitjades.

MODES DE FLUX

model de mescla perfecta: Suposa que la mescla és total a l'interior del reactor, per tant, el seu contingut està perfectament homogeneïtzat i a la mateixa temperatura en tots els seus punts. Les mostres que s'extreguin del reactor tindran la mateixa composició i temperatura que a l'interior del reactor.

model de flux en pistó: Aquí no hi ha mescla. Les matèries en reacció es mouen per l'interior del reactor sense que hi hagi mescla per difusió o convecció en la direcció del flux. Dos punts veïns en aquesta direcció tenen composició i temperatura diferents.

REACTORS REALS

reactors reals: dissenyats per aproximar-se a un d'aquests models. * tipus: reactor de tanc agitat i reactor tubular.

REACTOR DE TANC AGITAT (STR)

reactor de tanc agitat: recinte en l'interior del qual es produeix el contacte dels reactius per tal que es produeixi una reacció química. Són molt comuns a la indústria, doncs permeten treballar en forma continua o discontinua, amb volums de producció petits o mitjans, dins d'un interval de temperatures ampli, a pressions elevades, moderades o baixes, i amb o sense reflux. S'utilitza principalment per reaccions en dissolució. S'aconsegueix un gran grau de mescla i s'aproximen a la mescla perfecta.

• d'homogeneïtzació i agitació
• de calefacció o refredament
• de mesura de les diferents variables que intervenen en el procés com són temperatura, pressió, buit, viscositat, color, pH, etc.

aplicacions:

• reaccions homogènies entre líquids
• reaccions en fase líquida que donin algun producte sòlid
• reaccions entre líquids i gasos que barbotegen en la mescla

dades especials:

• es produeixen els denominats volums morts o zones segregades (zones dins del reactor allunyades de l'agitador i que pràcticament no es mesclen amb la resta del volum del reactor).
• es pot donar els camins preferents o curtcircuits (fraccions del cabal d'entrada amb els reactius que no es mesclen amb la resta del contingut del reactor i surt directament).
• en les canonades, de sortida principalment del reactor tanc agitat, es pot donar que la reacció continuï i aleshores seria com si tinguessin un reactor tubular acoblat.

REACTOR TUBULAR

reactor tubular: És molt difícil evitar les difusions axials i radials en els reactors tubulars, això provoca que hi hagi seccions al llarg del reactor on si existeix mescla homogènia. Aquest fenomen es coneix com recirculació interna, i és com si estigués constituït per una sèrie de tancs agitats. Es poden asimilar a reactors de flux en pistó. S'utilitza principalment per reaccions en fase gas amb la presència d'un catalitzador.

PARTS O ELEMENTS D'UN REACTOR

● tapa: la seva funció és aïllar l'interior de l'exterior, evitant el despreniment de gasos, mantenint la pressió o possibilitant treballar al buit. La tapa pot ser plana horitzontal o en forma toricoesfèrica. Pot estar fixada al cos cilíndric del reactor. Altres tapes poden desplaçar-se o separar-se del cos del reactor. Hi ha reactors que són oberts i que no tenen tapa. Dins de la tapa:

• boca d'home: entrada per sòlids a granel, que és prou gran per permetre l'entrada d'un operari a l'interior del reactor durant les tasques de manteniment i neteja.
• finestres: serveixen per veure l'interior del reactor, que pot estar il·luminat i observar així el curs de la reacció.
• tubuladures: entrades de canonades o connexions a altres parts del sistema d'equips. Hi ha tubuladures identificades i controlades per vàlvules.
• elements de seguretat: vàlvules de seguretat i discs de ruptura.
• connexions dels aparells de mesura: Manòmetres, sondestermomètriques, etc.

● fons del reactor: pot ser pla horitzontal, pla inclinat o toricoesfèric. Al fons és on està situada la sortida dels productes, de manera que la forma del fons pot facilitar la descàrrega total del reactor. Normalment, hi ha una vàlvula de fons, que s'obre quan es vol buidar el reactor. El buidat pot ser:

• directament a través de canonades.
• connectant la sortida del reactor a través de mànigues a una línia determinada.
• descarregant directament a un sistema d'envasat automàtic o manual.

● cos cilíndric: té dues funcions:

• Afavorir el contacte entre els reactius i els productes, aportant l'energia mecànica necessària per agitar la mescla (agitadors).
• Aportar o retirar calor del medi de reacció (camises o mitja canya).

ELEMENTS DE BESCANVI DE CALOR

● camises: Consisteixen en una funda que envolta la paret del reactor. En l'espai que queda entre la funda i la paret del reactor hi circula un fluid per escalfar o refrigerar. Fluids que circulen:

• líquid: entra per la part més baixa del reactor i surt per la més alta.
• vapor aigua: entra per dalt i per baix surt el condensat.

● aïllament: reactors escalfats la part exterior de la camisa o la mitja canya està recoberta per un material aïllant recobert d'una làmina d'acer inoxidable. Aquest aïllament té una doble funció:

• Redueix les pèrdues de calor del sistema.
• Evita cremades per contacte amb les parets calentes del reactor.

● mitja canya: Consisteix en un serpentin format per mig tub cilíndric enrotllat i soldat a la paret externa del reactor. Per l'interior d'aquest serpentin hi circula un fluid per escalfar o refrigerar. Per poder controlar millor el bescanvi de calor, els cos del reactor pot estar recobert per més d'un serpentin de mitja canya. Fluids que circulen:

• líquid: entra per la part més baixa i surt per dalt.
• vapor: entra per la part més alta i surt per baix.

● serpentiní intern: Són tubs enrotllats de manera helicoidal situats a l'interior del cos del reactor i s'utilitzen quan és necessària una forta refrigeració o un escalfament intens. Aquest sistema presenta l'inconvenient que ocupa un cert volum intern del reactor, disminuint-ne la capacitat útil. A més, la neteja d'aquests serpentinis requereix força temps. No és recomanable utilitzar-los quan intervenen en la reacció substàncies viscoses o amb sòlids que s'adhereixen als serpentins. A més, la presència de serpentins interns afecta molt al sistema d'agitació.

ELEMENTS D'AGITACIÓ

• turbines (flux radial)
• hèlix (flux axial)
• àncora (per molt viscosos)
• emulsionadors